Ionenimplantatie is een van de meest kritieke processen bij de productie van halfgeleiders. Het maakt nauwkeurige controle van elektrische eigenschappen mogelijk door doteringsionen zoals boor (B), fosfor (P) en arseen (As) in halfgeleidermaterialen te introduceren.
Door hoogenergetische ionen te versnellen en in het kristalrooster te implanteren, bepaalt ionenimplantatie de belangrijkste eigenschappen van apparaten, zoals junctiediepte, geleidbaarheid en drempelspanning. Het is een fundamentele stap in het vormen van PN juncties en wordt veel gebruikt in logische, geheugen- en vermogenshalfgeleiderapparaten.
Ionenimplantatieproces
Het ionenimplantatieproces omvat verschillende belangrijke stappen:
- Ionengeneratie
Dopantgassen of vaste bronnen worden in de ionenbron geïoniseerd om geladen deeltjes te genereren. - Ionenversnelling
De ionen worden versneld tot een bepaald energieniveau, dat de implantatiediepte bepaalt. - Massa-analyse
Een magnetische analysator selecteert de gewenste ionensoorten en zorgt zo voor een zuivere bundel. - Scannen en implanteren
De ionenbundel wordt over het waferoppervlak gescand om een uniforme implantatie te verkrijgen.
Na de implantatie ondergaat de wafer meestal een gloeiproces om roosterschade te herstellen en doteermiddelen te activeren. Gangbare gloeimethoden zijn:
- Snelle thermische verwerking (RTP) bij 1000-1100°C
- Lasergloeien voor plaatselijke verwarming en gereduceerd thermisch budget
Classificatie van ionenimplantatieapparatuur
Op energieniveau
Ionenimplanters met lage energie (<100 keV)
Gebruikt voor ultradiepe juncties, bron/drain implantatie en geavanceerde logische apparaten zoals AI-chips, CPU's, DRAM en CIS.
Ionenimplanters met gemiddelde energie (100-300 keV)
Gebruikt voor drempelspanningsaanpassing, licht gedoteerde drainstructuren en processen zoals SIMOX en Smart Cut.
Hoge energie ionenimplanters (>300 keV)
Gebruikt voor diepe implantatie in voedingsapparaten, RF-chips en optische communicatieapparaten, waardoor doperingdiepte op micrometerniveau mogelijk is.
Door Beam Current
Implanters met lage stroomsterkte (100 nA - 100 μA)
Geschikt voor precisietoepassingen die een nauwkeurige dosisregeling vereisen.
Implanters met gemiddelde stroomsterkte (100 μA - 2000 μA)
Op grote schaal gebruikt in standaard halfgeleiderproductieprocessen.
Implantatoren met hoge stroomsterkte (2 mA - 30 mA)
Ontworpen voor toepassingen met hoge doses en hoge verwerkingscapaciteit, zoals bron/drain implantatie.
Implantaten met ultrahoge stroomsterkte (>30 mA)
Gebruikt in gespecialiseerde productieomgevingen met hoge volumes of hoge doses.
Door speciale functie
Zuurstof-ion implantaten
Gebruikt voor SOI (Silicon-on-Insulator) fabricage.
Waterstof Ionen Implanters
Toegepast in Smart Cut en materiaaltechnische processen.
Ionenimplanters voor hoge temperaturen
Maakt implantatie bij hoge temperaturen mogelijk voor materialen zoals SiC en geavanceerde halfgeleidertoepassingen.
Systeemarchitectuur
Een ionenimplantatiesysteem bestaat meestal uit vijf belangrijke subsystemen:
Gassysteem
Levert en hanteert veilig speciale gassen zoals arsine (AsH₃), fosfine (PH₃) en boortrifluoride (BF₃).
Vermogen en elektrisch systeem
Levert hoogspanningsvermogen voor ionenversnelling en het opwekken van magnetische velden.
Vacuümsysteem
Handhaaft hoge vacuümcondities om ionenverstrooiing en contaminatie te beperken, meestal met behulp van turbopompen en cryogene pompen.
Besturingssysteem
Beheert bundelparameters, waferbehandeling en procesautomatisering.
Stralingssysteem
De kern van de apparatuur, inclusief:
- Ionenbron
- Afzuigsysteem
- Massa-analysator
- Versnellingsbuis
- Systeem voor bundelscannen
- Proceskamer
Dit systeem bepaalt de implantatienauwkeurigheid, uniformiteit en algemene prestaties.
Marktoverzicht
Volgens industriële gegevens bereikte de wereldwijde markt voor ionenimplantatieapparatuur ongeveer RMB 20,6 miljard in 2022. De Chinese markt was goed voor ongeveer 6,6 miljard RMB, wat ongeveer 32 procent van de wereldwijde markt vertegenwoordigt.
In termen van segmentatie:
- Hoogstroomimplantaten domineren de markt, goed voor ongeveer 61 procent.
- Middelmatige huidige implanteerders zijn goed voor ongeveer 20 procent
- Het resterende aandeel is in handen van hoogenergetische en gespecialiseerde systemen
Wereldwijd concurrerend landschap
De markt voor ionenimplantatieapparatuur is sterk geconcentreerd en wordt gedomineerd door enkele toonaangevende internationale bedrijven.
Toegepaste materialen
Heeft meer dan 50 procent van het wereldwijde marktaandeel. Het portfolio omvat ionenimplantatiesystemen met hoge stroom, gemiddelde stroom en ultrahoge dosis. Het bedrijf versterkte zijn positie door de overname van Varian Semiconductor.
Axcelis Technologieën
Een toonaangevende leverancier van hoogenergetische ionenimplantators, met een marktaandeel van ongeveer 55 procent in dit segment. Het bedrijf rapporteerde sterke financiële prestaties en blijft uitbreiden in toepassingen voor vermogenshalfgeleiders.
Nissin Ionenuitrusting
Richt zich op middenstroom-ion-implantators en heeft deelgenomen aan verschillende halfgeleiderprojecten in China.
Sumitomo zware industrie
Produceert voornamelijk middenstroom ionenimplantatiesystemen.
SEN Corporation
Biedt een volledig assortiment ionenimplantatieapparatuur, waaronder systemen met hoge stroom, gemiddelde stroom en hoge energie, maar met een relatief lager marktaandeel op het Chinese vasteland.
Ontwikkeling van binnenlandse fabrikanten
De afgelopen jaren hebben Chinese fabrikanten van halfgeleiderapparatuur aanzienlijke vooruitgang geboekt. Een 12-inch ionenimplantator voor lage temperaturen, ontwikkeld door een binnenlands bedrijf, is bijvoorbeeld met succes geleverd aan een toonaangevende fabrikant van logische chips.
Lokale bedrijven zijn actief bezig met de ontwikkeling van ionenimplantatiesystemen met hoge stroom, gemiddelde stroom en hoge energie. Hoewel de binnenlandse markt nog steeds gedomineerd wordt door internationale leveranciers, slagen Chinese fabrikanten er geleidelijk in om hun processen te valideren en geavanceerde productielijnen te introduceren.
Conclusie
Ionenimplantatie blijft een kerntechnologie in de halfgeleiderproductie, die een directe invloed heeft op de prestaties en de opbrengst van halfgeleiders. Met de snelle ontwikkeling van geavanceerde nodes, materialen met een brede bandkloof zoals SiC en krachtige computertoepassingen, is de vraag naar geavanceerde ionenimplantatieapparatuur blijft groeien.
Hoewel de wereldwijde markt nog steeds wordt geleid door gevestigde internationale spelers, zorgen de voortdurende technologische vooruitgang en lokalisatie-inspanningen voor een verandering in het concurrentielandschap, vooral in de opkomende halfgeleidermarkten.